操 玥,王世杰,,白曉永,,*,李匯文,王明明,吳路華

1 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室,貴陽 550081 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站,安順 562100

我國西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣,生物多樣性和水資源等自然資源豐富,是我國重要的生態(tài)屏障區(qū)。然而該地區(qū)地貌類型復(fù)雜、分布著高原、高山峽谷、喀斯特地貌等,同時也是我國生態(tài)極為敏感和脆弱的區(qū)域。該地區(qū)是我國少數(shù)民族和貧困人口集中分布的區(qū)域,長期而強烈的人類活動對原生生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重,土壤侵蝕十分嚴(yán)重[1]。降雨侵蝕力是降雨的潛在能力,是反映區(qū)域資源環(huán)境承載能力的重要指標(biāo)[2],是導(dǎo)致土壤侵蝕產(chǎn)生和發(fā)展的直接原因,當(dāng)滲透能力飽和時就會形成地表徑流從而引起土壤侵蝕。降雨侵蝕力是控制土壤侵蝕最重要的因子之一,其時空分布在一定程度上決定了土壤侵蝕的空間分布規(guī)律,因而在長時間尺度上準(zhǔn)確估算降雨侵蝕力并對其空間分布和演變有清晰的掌握對于估算區(qū)域土壤侵蝕十分必要,更對明確長時間尺度上區(qū)域生態(tài)安全格局及其演化具有重要意義。目前, 采用次降雨總動能E和最大30 min降雨強度(I30)的乘積(EI30)表示降雨侵蝕力的算法被國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為是R的經(jīng)典算法[3]。但是,由于次降雨過程指標(biāo)計算繁瑣以及資料獲取困難,EI算法在實際應(yīng)用推廣中受到極大限制。因此,國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)日、月、年降雨量資料提出了多種計算降雨侵蝕力的簡易模型,如基于日降雨量資料的CREAMS模型[4]、Richardson模型[5]、章文波等提出的簡易算法模型[3],基于月降雨量的Silva等[6]、Wischmeier等[7]、周伏建等[8]提出的模型,為計算流域尺度乃至區(qū)域尺度的降雨侵蝕力提供了參考。然而,西南地區(qū)地跨多種地貌類型和氣候類型,對氣候變化非常敏感,在研究降雨侵蝕力的過程中必須要關(guān)注氣候變化對降雨侵蝕力的影響[9]。當(dāng)前的研究多是基于氣象站點的觀測數(shù)據(jù)而進(jìn)行的,難以反演出百年尺度降雨侵蝕力的演變情況。有鑒于此,本文通過全球百年尺度CRU_TS4.01逐月降雨數(shù)據(jù),反演計算近百年中國西南降雨侵蝕力,并分析其時空格局演變過程,對于西南地區(qū)的土壤侵蝕研究與防治及生態(tài)恢復(fù)與重建具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的中國西南地區(qū)是指21°08′—36°29′N、87°22′—112°03′E的范圍,它包括了我國西南地區(qū)的云南、貴州、廣西、四川、重慶及西藏、青海的部分地區(qū)。研究區(qū)地貌復(fù)雜,橫跨青藏高原東南、四川盆地、云貴高原、廣西丘陵等地[10],是我國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。作為西南山區(qū)土壤侵蝕的主要動力因素,降雨侵蝕力在西南山區(qū)土壤侵蝕研究和水土流失監(jiān)測、預(yù)報和防治中起著至關(guān)重要的作用[9]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究采用的數(shù)據(jù)由英國東英吉利大學(xué)氣候研究中心(Climatic Research Unit, CRU)提供的CRU_TS4.01數(shù)據(jù)庫[11]。該數(shù)據(jù)庫通過整合已有的若干個數(shù)據(jù)庫,重建了一套覆蓋完整且無缺測的月平均地表氣候要素數(shù)據(jù)集,時間范圍為1901—2016年,覆蓋全球0.5°經(jīng)緯網(wǎng)格的所有陸地(除南極洲),該數(shù)據(jù)集已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于全球氣候變化研究中,其精度和適用性也在多項研究中得到了驗證,精度可靠[12-13]。本研究使用了該數(shù)據(jù)庫中的降雨數(shù)據(jù),包括了從1901年1月至2016年12月的逐月降雨數(shù)據(jù)。

1.3 降雨侵蝕力的計算

本研究基于月降雨數(shù)據(jù)采用下式計算降雨侵蝕力[6]：

(1)

式中,EI30i表示月均降雨侵蝕力(MJ mm hm-2h-1)；Pi為第i個月的降雨量；Pa為年平均降雨量。年均降雨侵蝕力為一年中月降雨侵蝕力的總和。研究表明[14],該方法在地形復(fù)雜地區(qū)精度較高。

1.4 降雨侵蝕力的年際變化趨勢

降雨侵蝕力的年際變化趨勢,以各柵格多年數(shù)值最小次方線性回歸方程的斜率表示[15],具體公式如下：

(2)

式中,n為116,i為年序號,MR, i為第i年的降雨侵蝕力。其中,當(dāng)k>0時,說明降雨侵蝕力在116年間的變化趨勢是增加的；反之,則減少。

2 結(jié)果與分析

2.1 百年平均降雨侵蝕力的空間分布特征

圖1 年平均降雨侵蝕力的空間分布Fig.1 Spatial distribution of annual average rainfall erosivity (1901—2016)

由圖1西南地區(qū)百年平均降雨侵蝕力的空間分布圖可見,整個西南地區(qū)降雨侵蝕力的地域差異十分明顯,總體表現(xiàn)為：形成青藏高原-四川盆地以及云貴高原-廣西丘陵兩條樣帶,由西北向東南逐級增加的空間分布格局。青海省、西藏自治區(qū)大部分區(qū)域及四川的西北部分地區(qū)百年平均降雨侵蝕力在4000 MJ mm hm-2h-1a-1以下,廣西、云南、貴州、重慶、四川及西藏東南部降雨侵蝕力在4000 MJ mm hm-2h-1a-1以上,其中,西藏自治區(qū)北部的那曲地區(qū)及青海省西南部的玉樹藏族自治州最小,為1500 MJ mm hm-2h-1a-1以下,廣西東南部及西藏自治區(qū)東南部的林芝地區(qū)最大,為7500 MJ mm hm-2h-1a-1以上。降雨侵蝕力的空間分布與降雨量的分布基本一致,這是因為年降水豐富的地區(qū)一般情況下降雨侵蝕力要相應(yīng)高一些。從高原到盆地、丘陵降水量明顯增加,降雨侵蝕力也隨之增加,從高原年降水量低于200 mm的區(qū)域增加到2000 mm以上,而降雨侵蝕力增加的量要比降水大得多,由小于1500 MJ mm hm-2h-1a-1增加到7500 MJ mm hm-2h-1a-1以上,出現(xiàn)兩者增加的量不一致的原因是降雨強度起了關(guān)鍵的作用[16]。由圖1可以看出,西南地區(qū)降雨侵蝕力等級面積自1500 MJ mm hm-2h-1a-1開始由低到高呈緩慢增加趨勢,自4000 MJ mm hm-2h-1a-1減少后又迅速增加,自5000 MJ mm hm-2h-1a-1后各個侵蝕力等級的面積逐步減少。西南地區(qū)的降雨侵蝕力多分布于4500—5500 MJ mm hm-2h-1a-1這一區(qū)間,其分布面積達(dá)到了97.16萬km2,約占到西南地區(qū)總面積的34.11%。

2.2 降雨侵蝕力年內(nèi)分配的空間分異

圖2 月平均降雨侵蝕力的空間分布Fig.2 Spatial distribution of average monthly rainfall erosivity (1901—2016)

西南地區(qū)百年尺度年內(nèi)月平均降雨侵蝕力空間分布如圖2所示。由圖2可知,12月、1月、2月及3月降雨侵蝕力呈現(xiàn)東南、西北部高、中間低的空間分布格局,其余月份的空間分布與全年空間分布基本一致。全年1—12月整體呈現(xiàn)出月降雨侵蝕力高值區(qū)從東南/西北部向中部移動再轉(zhuǎn)回東南/西北部的變化趨勢。廣西壯族自治區(qū)因其受冬夏季風(fēng)交替和地理環(huán)境影響顯著[17],全年雨量豐富,因此成為月降雨侵蝕力的相對高值區(qū)。而12月、1月、2月、3月、4月、5月及9月份的降雨侵蝕力最小值都出現(xiàn)了0,除4月和5月的0值出現(xiàn)在青海省西南部外,其余的0值都多出現(xiàn)在西藏自治區(qū),這是因為該地區(qū)在冬季和春季降水十分稀少,局部地區(qū)甚至整月無降雨,因此也不會產(chǎn)生降雨侵蝕力。全年中,5—11月的月降雨侵蝕力最大值都達(dá)到了900 MJ mm hm-2h-1以上,而這個時間段正是農(nóng)作物大面積收獲的季節(jié),地表裸露的時間較長,因此在這些月份有必要加強該地區(qū)水土流失治理工程的建設(shè),保護(hù)植被,重點防范侵蝕性降雨帶來的各種災(zāi)害。

按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12—2月)對西南地區(qū)各個區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果如表1所示。

表1 西南地區(qū)百年降雨侵蝕力的季節(jié)變化

由表1可以看出,西南地區(qū)的年內(nèi)降雨侵蝕力最大值出現(xiàn)在西藏自治區(qū)的夏季,3個月累計為5601.57 MJ mm hm-2h-1,最小值出現(xiàn)在西藏自治區(qū)的冬季,為0。在降雨侵蝕力的季節(jié)變幅方面,西藏自治區(qū)夏季最大,為5193.02 MJ mm hm-2h-1,青海省的冬季最小,為16.59 MJ mm hm-2h-1。整個西南地區(qū)四個季節(jié)的降雨侵蝕力大小依次為夏季>秋季>春季>冬季。西南地區(qū)的氣候條件使得該地區(qū)的降雨多分布于夏秋兩季,導(dǎo)致各個地區(qū)在夏季和秋季的累計降雨侵蝕力占到了全年降雨侵蝕力的75.84%—96.09%,其中季節(jié)最大降雨侵蝕力出現(xiàn)在西藏自治區(qū)的夏季,比例達(dá)到了74.2%,對于整個西南地區(qū)而言,夏秋兩季對于全年降雨侵蝕力的貢獻(xiàn)率達(dá)到了86.66%,青海省以及西藏自治區(qū)甚至超過了90%。因此,在降雨侵蝕力較強的這兩個季節(jié)應(yīng)該更加重視滑坡、泥石流的防治并采取相應(yīng)的預(yù)警預(yù)報措施。

2.3 降雨侵蝕力年際變化的空間分異及趨勢分析

圖3 降雨侵蝕力的年際變化特征Fig.3 Inter-annual variation characteristics of rainfall erosivity (1901—2016)

按照行政區(qū)劃分區(qū)統(tǒng)計了西南地區(qū)各個省份百年來的年均降雨侵蝕力(圖3),其中,廣西自治區(qū)年均降雨侵蝕力的最小值出現(xiàn)在1989年,為4408.79 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現(xiàn)在1994年,為7454.60 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為5885.84 MJ mm hm-2h-1a-1；貴州省年均降雨侵蝕力的最小值出現(xiàn)在2011年,為4011.37 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現(xiàn)在1954年,為6394.25 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為5036.77 MJ mm hm-2h-1a-1；重慶市最小值出現(xiàn)在1902年,為3608.22 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現(xiàn)在1915年,為6733.71 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為4855.55 MJ mm hm-2h-1a-1；云南省最小值出現(xiàn)在1906年,為3943.17 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現(xiàn)在1918年,為6558.52 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為5310.42 MJ mm hm-2h-1a-1；四川省最小值出現(xiàn)在2006年,為3354.68 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現(xiàn)在1915年,為5211.50 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為4044.44 MJ mm hm-2h-1a-1；西藏自治區(qū)最小值出現(xiàn)在1994年,為2643.99 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現(xiàn)在1962年,為4058.11 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為3406.51 MJ mm hm-2h-1a-1；青海省最小值出現(xiàn)在1956年,為1328.71 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現(xiàn)在2014年,為2431.21 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為1917.62 MJ mm hm-2h-1a-1；西南地區(qū)最小值出現(xiàn)在1992年,為3639.63 MJ mm hm-2h-1a-1,最大值出現(xiàn)在1915年,為4667.75 MJ mm hm-2h-1a-1,百年平均值為4092.84 MJ mm hm-2h-1a-1。除青海1901—1935年外,西南各地區(qū)年均降雨侵蝕力呈現(xiàn)有增有減的波動分布。

為了進(jìn)一步探究西南地區(qū)百年以來降雨侵蝕力的變化特征,我們基于像元進(jìn)行了趨勢分析。當(dāng)前,年際變化趨勢k值的劃分并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[18],考慮到研究區(qū)中降雨侵蝕力的整體分布情況,通過計算k值的變化,研究發(fā)現(xiàn)k值基本符合正態(tài)分布,故利用自然間斷點分級法并向向下取整,將降雨侵蝕力變化劃分為9個等級,分別為劇烈減少(k≤-4)、重度減少(-4

圖4 降雨侵蝕力的變化特征空間分布及分區(qū)統(tǒng)計Fig.4 Spatial distribution (a) and zoning statistics (b) of rainfall erosivity variation characteristics

3 討論

降雨侵蝕力是指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力,它是評價這種潛在能力的一個動力指標(biāo)。降雨侵蝕力的計算及其柵格數(shù)據(jù)的獲取,是基于土壤侵蝕模型預(yù)報土壤流失量的關(guān)鍵所在[19]。本研究基于CRU_TS4.01數(shù)據(jù)集,彌補了中國西南20世紀(jì)前半期缺少觀測數(shù)據(jù)的空缺[13],反演計算了1901到2016年中國西南逐月降雨侵蝕力,并累加到全年。在此基礎(chǔ)上,分析了整個西南地區(qū)降雨侵蝕力的時空分布格局,探討了其年內(nèi)的分布狀況,研究了百年尺度降雨侵蝕力的年際變化并進(jìn)行了趨勢分析,本研究的結(jié)果對于未來進(jìn)一步分析我國西南地區(qū)土壤侵蝕的時空演變格局以及生態(tài)安全格局的形成和演化機制具有十分重要的參考價值。

然而,本研究在取得一些認(rèn)識的同時,也存在一些不足。圖3中,青海省1901—1935年的年降雨侵蝕力無明顯變化,這就意味著這三十多年青海省的年總降雨量基本不變,這顯然不符合客觀認(rèn)識。這是因為CRU數(shù)據(jù)首先選擇1961—1990 年的氣候平均值計算整個時間段各站點的異常值,通過薄板樣條插值法插值異常值到格點,再疊加上氣候平均值最終得到格點資料,處理數(shù)據(jù)使用的數(shù)學(xué)方法相對簡單,使得較大的山脈附近與站點實測降水有所差異[20],但是,仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn),1901—1935年的值幾乎是1961—1990年降雨侵蝕力的平均值。因此,CRU數(shù)據(jù)對于20世紀(jì)初期的氣候研究依然具有一定的參考價值。

4 結(jié)論

中國西南地區(qū)百年以來降雨侵蝕力空間分布的地域差異十分明顯,呈現(xiàn)出自西北向東南逐漸增加的空間分布格局,且其空間分布與降雨量的分布基本一致；西南地區(qū)的降雨侵蝕力集中于4500—5500 MJ mm hm-2h-1a-1這一區(qū)間,其分布面積近100×104km2,占到了西南地區(qū)總面積的34.11%；西南地區(qū)降雨侵蝕力在年內(nèi)的集中度較高,全年中,5—11月的月降雨侵蝕力最大值都達(dá)到了900 MJ mm hm-2h-1以上,各個地區(qū)在夏季(6—8月)和秋季(9—11月)的累計降雨侵蝕力占到了全年的75.84%—96.09%,其中季節(jié)最大降雨侵蝕力出現(xiàn)在西藏自治區(qū)的夏季,其對全年的貢獻(xiàn)率達(dá)到了74.2%；西南地區(qū)降雨侵蝕力在百年尺度上的平均值為4092.84 MJ mm hm-2h-1a-1,最高值出現(xiàn)在1915年,為4667.75 MJ mm hm-2h-1a-1,最低值出現(xiàn)在1992年,僅3639.63 MJ mm hm-2h-1a-1；西南地區(qū)降雨侵蝕力年際變化存在明顯的空間差異性,總體表現(xiàn)為：有47.59%的區(qū)域呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢,32.91%的區(qū)域降雨侵蝕力呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢。